KR100232384B1 - 반도체 장치용 히트싱크 - Google Patents

Abstract

반도체 장치에 탑재되어 냉각 효율을 향상시키기 위한 반도체 장치용 히트싱크 (heatsink)를 제공하기 위한 것으로서, 상기 히트싱크는, 일군의 휜 (1) 과 송풍홴을 갖고, 상기 일군의 휜은 베이스부의 상부에 다수의 플레이트 또는 핀이 배열되어 있으며, 송풍홴은 홴 회전기구와 원심홴 (2) 으로 이루어지며, 상기 일군의 휜과 원심홴 위로는 커버 (3,4) 가 설치되어 있고, 원심홴의 커버의 회전방향으로는 공기 흡입구가 설치되어 있는 형상으로 되어 있다. 종래의 축류홴이 아닌 원심홴이 사용되며, 상기 히트싱크와 상기 원심홴의 상부에는 커버가 설치되어 있어 공기가 외부로 새지않고, 원심홴의 커버의 측면상으로는 공기 흡입구가 설치되어 있다. 이러한 구성에 의해 방열성능이 증대되고, 전자기기의 소형화에 기여하는 콤팩트한 히트싱크를 제공하는 것이 가능하다.

Description

반도체 장치용 히트싱크

본 발명은 집적회로 칩 또는 LSI 칩과 같은 칩상에 탑재되는 반도체 장치용 히트싱크에 관한 것이다.

최근의 고도한 반도체 장치는 게이트 당의 속도 즉, 게이트 당의 반도체 장치의 절환속도 및 전력적 (power-time product) 이 점차적으로 감소하고 있을 뿐만 아니라, 미세 가공 기술이 발달함에 따라, 각 게이트가 점유하는 면적도 감소하고 있다.

이러한 이유로, 반도체 칩은 고속화 및 고집적화 하는 경향이 있다. 한편, 반도체 칩을 보호하여 패킹의 신뢰성을 향상 시키는 반도체 패킹 기술이, 반도체 칩 본딩 기술이 도입됨으로서, 고도의 탑재 기술이 요구되는 기술분야까지로 발전되고 있다.

이에 수반하여, 근년에는, 컴퓨터 등의 처리성능과 신뢰성을 향상시킬 목적으로, 대규모 집적회로 또는 고밀도 및 소형화된 LSI 칩을 수용하기 위한 각종 반도체 패키지를 점차적으로 채용하고 있다.

이러한 종류의 장치의 집적도가 높아질 경우, 반도체 칩내의 방열량이 증가되며, 이로 인해, 높은 전력 소비량을 갖는 LSI 칩이, 플라스틱보다 열전도가 큰 세라믹의 패키지상에 탑재되고 있지만, 이 경우, 기판 에만 의존한 LSI 칩의 냉각은 당연히 한계가 있다.

이러한 상황에서, 고속 및 소형의 LSI 칩을 탑재한 종래의 반도체 패키지에서는, LSI 칩으로 부터의 방열의 관점에서, 높은 방열 효율을 갖는 알루미늄 또는 동 재질로 된 히트싱크를, 우수한 열 전도성을 갖는 납땜 또는 접착제를 사용하여 반도체 패키지의 상면에 고착시켜 방열하고 있다. 최근에는, 방열성능을 향상시키기 위해, 냉각 홴이 히트싱크에 상면에 직접 탑재된 경우도 있다.

도 4 는, 종래의 반도체 장치용 히트싱크의 일예의 사시도이다. 동 도에 있어, 부호 (11) 는 휜을 나타내며, 그의 상부에는, 공기 공급 목적의 축류홴 (12) 이 탑재되어 있다. 이 휜 (11) 은, 알루미늄 또는 동과 같은, 열 전도성이 우수한 재질로 되어 있다. 상기 축류홴 (12) 은, 공기를 하방으로 송풍하여, 공기가 휜에 부딪치도록 하고 있다.

현재, 컴퓨터 및 절환장치내의 고 전력 반도체 패키지의 냉각용으로 이러한 반도체 장치용 히트싱크가 제조되어 사용되고 있다.

종래의 히트싱크의 또 다른 예로는, 일본국 특개평 2-58900 호 및 특개소 64-13751호 에 개시된 바와 같이, 축류홴이 아닌, 시로코홴 또는 원심홴을 사용하여 냉각하는 히트싱크가 있다.

그러나, 전술한 바와 같은 구조를 갖는 히트싱크의 경우, 히트싱크의 방열효율이 높지 않고, 그에 따라, 냉각효과가 불충분한 단점을 갖는다. 이에 따라, 반도체 장치내의 칩 자체의 온도 상승을 초래하여, 장치의 동작 속도를 저하시키는 등의 문제를 야기한다.

또한, 축류홴으로의 공기의 흡입은 상방으로 부터 행해지므로, 좋은 성능을 발휘하기 위해서는, 히트싱크의 상방에 수 cm 의 공간부를 형성할 필요가 있으나, 이것은 고밀도로 탑재된 패키지에는 부적당하고 장치를 대형화 시킨다.

한편, 일본국 특개평 6-275750 호 와 특개평 7-254670 호에는, 반도체 장치용의 또 다른 히트싱크의 구성이 개시되어 있다.

그러나, 전자는, 공기 흡입구가 홴의 상부에 홴의 회전축 방향으로 설치되어 있으며, 따라서, 여기에서는, 공기 흡입구의 근처에 충분한 공간부를 형성해야 한다.

그러므로, 이러한 종류의 히트싱크를 반도체 장치에 조립할 경우, 고 집적의 반도체 장치를 얻을 수 없다.

또한, 후자의 경우, 홴의 날개가, 인접하게 배열된 휜 사이에 형성된 공간부내에서 이동하는 히트싱크를 개시하고 있다.

따라서, 이러한 히트싱크를 조립할 경우, 고도의 정밀도가 요구되며, 이로 인해, 반도체 장치의 제조비의 상승을 초래한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 발열량이 높은 고 집적화된 LSI 칩을 탑재한 반도체 장치에 탑재하여도, 동작시의 칩의 온도상승을 억제할 수 있고, 방열효과가 충분하여, 히트싱크에 대한 신뢰성이 높고, 또한 장치내에 설치시, 점유 체적이 작은 히트싱크를 제공하는 것이다.

도 1 (A) 와 (B) 는 본 발명의 히트싱크의 일 실시예를 나타내는 단면도.

도 2 (A) 와 (B) 는 각각 도 1 (A) 와 (B) 에 도시된 본 발명의 일 실시예의 사시도.

도 3 은 본 발명의 히트싱크가 반도체 장치상에 탑재된 것을 나타내는 단면도.

도 4 는 종래의 반도체 장치용 히트싱크의 일 실시예의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 휜 (fin)2 : 원심홴 (fan)

3 : 홴 커버4 : 휜 커버

5 : 공기 흡입구9 : 평판

13 : 홴 모터20 : 히트싱크 (heatsink)

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 장치용 히트싱크에 있어서는, 일군의 휜과 송풍홴으로 이루어 지며, 상기 일군의 휜은 평판의 상부에 다수의 핀 또는 플레이트가 배열되어 있으며, 상기 일군의 휜에는, 그의 일단부에 공기 흡입구가 형성되고, 타단부에 공기 배출구가 형성되도록, 커버를 상면에 갖고 있으며, 상기 송풍홴은 홴 회전기구 및 원심홴으로 이루어지며, 상기 원심홴에는 공기 흡입구가 원심홴의 회전방향으로 형성된 커버가 설치되어 있다.

본 발명에 따른 반도체 장치용 히트싱크에서는, 히트싱크의 공간부가 작더라도 충분한 양의 공기가 공기 유동로를 통해 통과하도록, 종래와 같은 축류홴이 아닌 원심홴을 사용하고, 또한 히트싱크 및 홴에, 공기가 외부로 누출되지 않도록 하기 위한 커버가 설치되어 있다. 이에 따라, 히트싱크의 고 성능화가 가능하며, 또한, 홴으로의 공기 흡입구가 홴의 회전 방향으로 형성되어 있어, 공기 흡입구가 히트싱크의 측면에 있게 되고, 이것이 전자 기기에 설치될 경우 소형화가 가능하다.

이하, 첨부도면을 참조로, 본 발명의 실시의 형태를 설명키로 한다.

도 1(A) 와 도 1(B), 도 2(A) 와 도 2(B) 는 각각 본 발명의 서로 다른 실시예에 관한 단면도와 사시도이다.

우선, 도 1(A)와 도 2(A)에 도시된 실시예에 대해 설명키로 한다.

도면에서, 부호 (1) 은 휜을 나타내며, 평판 (9) 의 상부에 수직으로 배열된 복수개의 플레이트 (8) 로 형성되어 있으며, 재질은 알루미늄이다. 부호 (2) 는 원심홴으로서, 모터에 의해 예컨대, 화살표 (D) 의 방향으로 회전하여, 공기를 일군의 휜이 있는 방향으로 공급한다. 부호 (3)은 원심홴 (2) 의 주변부 둘레로 배치된 홴 커버를 나타내며, 공기가 외부로 누출되는 것을 방지 하는 구조로 되어 있다.

휜 (1) 의 주변부 둘레로도 휜 커버 (4) 가 있는 바, 이것 역시 공기가 외부로 누출되는 것을 방지하는 구조로 되어 있다. 원심홴의 측면으로는 원심홴의 회전방향 (D) 으로 공기 흡입구 (5) 가 형성되어 있어, 원심홴 (2) 에 의해 이 부분으로 부터 밀봉실로 공기를 흡입하여, 휜이 배열된 방향으로 공기를 공급하는 구조로 되어 있다.

이러한 구조의 본 발명의 히트싱크 (20) 에 의해, 원심홴 (2) 을 회전시킴으로서, 휜 (1) 사이의 공간부가 상당히 작을 지라도, 휜사이의 공기의 압력강하가 작아지며, 그 결과, 공기량을 감소시키지 않고 공기를 흐르게 하는 것이 가능하여, 방열효율이 상당히 향상된다. 또한, 공기 흡입구 (5) 가 측면에 있기 때문에, 히트싱크 (20) 상방에 공기 흡입을 위한 공간을 형성할 필요가 없기 때문에, 결과적으로 장치 내부의 고 밀도화를 이루는 것이 가능하다.

종래의 예로서, 상기한 일본국 특개평 2-58900 호 공보에 기재된 전자기기유니트의 냉각장치에서는, 전자기기의 냉각을 위해, 송풍용 시로코 홴을 사용하고 있다.

그러나, 시로코 홴을 사용하면, 홴의 회전 직경만큼 냉각을 위한 공간부가 필요하게 되고, 큰 유량을 얻기 위해서는, 큰 직경의 홴을 탑재하지 않으면 안되며, 결과적으로 전자기기의 전체 크기가 크게 된다.

또한, 일본국 특개소 64-13751 호 공보에 기재된 전력용 반도체 회로 유니트의 경우, 본 발명의 경우와 같이, 공냉을 위한 홴으로서 원심홴을 사용하고 있지만, 본 발명의 히트싱크와는, 공기를 홴으로 유입하기 위한 공기 흡입구의 위치가 상이하다.

즉, 상기한 종래 문헌의 실시예에 있어서는, 공기 흡입구가 상면에 형성되어 있는 반면, 본 발명의 경우, 공기 흡입구는 측면에 형성되어 있고, 따라서, 본 발명의 히트싱크의 경우, 공기 흡입용의 공간부를 반도체 장치의 상면에 형성할 필요가 없으며, 그에 따라, 종래의 경우보다, 반도체 장치를 복수개 갖는 전자 기기의 소형화를 이룰 수 있다.

원심홴에 의해 일군의 휜에 공기를 공급하는 구조의 히트싱크를 탑재한 반도체 장치와, 종래 구조의 히트싱크를 탑재한 반도체 장치간의 열저항을 비교하였다. 본 발명의 히트싱크를 탑재한 반도체 장치의 경우, 모터를 정격전압으로 회전 시킬 때의 열저항은 1.6 ℃/W 이었다. 이에 반해, 종래와 같은 축류홴 형식의 히트싱크를 탑재한 반도체 장치의 경우, 열저항은 2.0 ℃/W 이었다. 이것으로 부터 본 발명의 원심홴이 사용된 구조를 갖는 히트싱크 쪽이 종래의 축류홴 형식의 히트싱크의 경우보다 방열 효과가 큰 것을 알았다.

상기 실시예에서는, 히트싱크의 재질로서, 알루미늄을 사용하였지만, 이것에 한하지 않고, 열전도가 좋은 재질이라면, 본 발명의 효과를 달성할 수 있다. 또한, 원심홴을 회전시키기 위해 모터를 사용하였지만, 모터에 한하지 않고, 홴을 회전시키는 것이라면 임의의 기구도 사용될 수 있다.

이하에서는, 도 1(B) 와 도 2(B)에 도시된 바의 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명키로 한다.

본 발명의 제 2 실시예의 히터싱크 (20) 는 휜 (1) 을 제외하고는 전술한 본 발명의 제 1 실시예와 유사한 구조를 갖는다.

이 실시예의 경우, 일군의 휜 (1) 은, 평판 (9) 의 표면상에 설치되는 복수개의 핀 (8') 으로 구성되며, 이들 핀 (8') 사이에는 복수개의 공기 유동로가 형성되어 있다.

따라서, 이 제 2 실시예의 기능과 그에 따른 효과는 전술한 제 1 실시예의 경우와 동일하다.

본 발명의 이러한 실시예로 부터, 본 발명의 히트싱크 (20) 는 좀 더 특수한 구조를 갖고 있는 것으로 인식되는 바, 즉, 본 발명의 히트싱크 (20) 는 일군의 휜 (1) 과 송풍홴 (2) 으로 이루어 지며, 또한 상기 히트싱크에는, 복수개의 공기유동로 (10) 가 구비되어 있고, 각각의 공기 유동로 (10) 는 평판 (9) 의 상부에 형성된 복수개의 핀 (8') 또는 플레이트 (8) 와 커버 (4) 에 의해 형성되며, 밀봉실 (7) 이 상기 공기 유동로 (10) 의 일단부에 인접하게 배열되어 상기 공기 유동로 (10) 의 종축선에 연하는 방향으로 신장하며, 또한 상기 공기 유동로 (10) 의 종축선에 수직하는 회전축선을 갖는 원심홴 (2) 이 상기 밀봉실 (7) 내부에 형성되어 있으며, 상기 밀봉실 (7) 의 측벽부 (6) 상으로는, 공기 흡입구 (5) 가 상기 공기 유동로 (10) 의 종축선에 수직하는 방향으로 배열되어 있다.

본 발명에 있어서는, 도 2(A) 및 도 2(B) 에서 보는 바와 같이, 공기 흡입구 (5) 는, 상기 밀봉실의 측벽부 (6) 상에서 상기 원심홴 (2) 의 외측주변부의 부근에 형성되는 것이 바람직 하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 원심홴 (2) 을 구동하는 홴 모터 (13) 는 상기 밀봉실 (7) 의 내부에 형성된다.

본 발명의 일 실시예인 도 3 에 도시된 바와 같이, 원심홴 (2) 은 밀봉실 (7) 의 내부에, 홴 모터 (13) 에 의해 회전되는 회전축 (15) 에 의해 회전되도록 지지되며, 상기 홴 모터 (13) 는, 상기 밀봉실 (7) 의 내부에 설치된 제어 회로판 (14) 에 의해 제어된다.

도 3 은, 또한 본 발명의 히트싱크 (20) 가, 복수개의 연결핀 (12) 을 갖는 패키지 (17) 로 이루어지고 패키지 (17) 의 내부에 칩 (18) 을 수용하는 반도체 장치 (30) 에, 어떻게 실장되는 지를 보여준다.

도면에서, 본 발명의 히트싱크 (20) 의 핀부 (1) 는, 전면에 칩 (18) 이 탑재된 기판 (16) 의 배면에 직접 부착된다.

이하에서는, 본 발명의 실시예를 좀 더 구체적으로 설명키로 한다.

본 발명의 히트싱크 (20) 의 주요부의 바람직한 치수가 이하에서 예시 되겠지만, 이러한 치수에 관한 사항은 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.

예를 들어, 도 2 (A) 에 도시된 본 발명의 히트싱크 (20) 의 휜 (1) 은, 길이 (a) 가 30 내지 60 mm, 폭 (d) 이 30 내지 60 mm, 높이 (e) 가 10 내지 30 mm 이며, 휜 (1) 은 폭 (b) 이 0.5 내지 2 mm 이고, 공기 유동로 (10) 는 폭 (c) 이 1 내지 4 mm 인 것이 바람직 하다.

한편, 본 발명에 있어서, 공기 흡입구 (5) 는 밀봉실 (7) 의 측벽 (6) 의 임의 위치에 형성되어도 좋으나, 도 1 (A) 에 부호 (C) 로 표시된 바와 같이, 측벽 (6) 의 위치에 형성되는 것이 바람직 하다.

또한, 본 발명에 있어서, 밀봉실 (7) 은 방열 효과를 향상시키는 형상을 갖 는 것이 중요하며, 도 1 (A) 및 도 1 (B) 는 상기 밀봉실 (7) 의 이상적 형상의 하나이다. 이러한 형상의 밀봉실 (7) 을 사용하므로서, 각각의 공기 유동로 (10) 를 통해 유동하는 공기의 체적 유량을 서로 동일하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 원심홴 (2) 의 위치는, 전술한 바와 동일한 목적을 달성키 위해 중요하며, 도 1 (A) 와 도 1 (B) 에 도시된 홴 (2) 의 위치는 이상적인 위치중의 하나이며, 이로써, 상기 각각의 공기 유동로를 통해 유동하는 공기의 체적 유량을 서로 동일하게 할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 높은 방열 효율을 갖는 반도체용 히트싱크를 얻을 수가 있으며, 고속 및 고밀도의 칩을 탑재한 반도체 장치를 달성할 수 있다.

Claims (7)

1. 일군의 휜 (fin) 과 송풍홴 (fan) 으로 이루어 지며, 상기 일군의 휜은 평판의 상부에 다수의 핀 또는 플레이트가 배열되어 있으며, 상기 일군의 휜에는, 그의 일단부에 공기 흡입구가 형성되고, 타단부에 공기 배출구가 형성되도록, 커버를 상면에 갖고 있으며, 상기 송풍홴은 홴 회전기구 및 원심홴으로 이루어지며, 상기 원심홴에는 공기 흡입구가 원심홴의 회전방향으로 형성된 커버가 설치되어 있는 반도체 장치용 히트싱크.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기 흡입구는 상기 홴 커버의 측면상에 형성되어 있는 반도체 장치용 히트싱크.
3. 일군의 휜과 송풍용 홴으로 이루어 지며, 또한 상기 히트싱크에는, 복수개의 공기유동로가 구비되어 있고, 각각의 공기 유동로는 평판의 상부에 형성된 복수개의 핀 또는 플레이트와 커버에 의해 형성되며, 밀봉실이 상기 공기 유동로의 일단부에 인접하게 배열되어 상기 공기 유동로의 종축선에 연하는 방향으로 신장하며, 또한 상기 공기 유동로의 종축선에 수직하는 회전축선을 갖는 원심홴이 상기 밀봉실 내부에 형성되어 있으며, 상기 밀봉실의 측벽부 상으로는, 공기 흡입구가 상기 공기 유동로의 종축선에 수직하는 방향으로 배열되어 있는 반도체 장치용 히트싱크.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 공기 흡입구는 상기 밀봉실의 측벽부상에, 상기 원심홴의 외측 주변부 근처의 위치에 배치되는 반도체 장치용 히트싱크.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 원심홴을 구동하는 홴 모터가 상기 밀봉실의 내부에 설치되는 반도체 장치용 히트싱크.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉실은 상기 각각의 공기 유동로를 통해 유동하는 각각의 공기 체적 유량을 서로 동일하게 하는 형상을 갖는 반도체 장치용 히트싱크.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 원심홴은 상기 각각의 공기 유동로를 통해 유동하는 각각의 공기 체적 유량을 서로 동일하게 하는 위치에 설치되는 반도체 장치용 히트싱크.